UNIVERSIDADE ESTADUAL DE MARINGÁ
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO DO MESTRADO NACIONAL
PROFISSIONAL EM ENSINO DE FÍSICA
PRODUTO EDUCACIONAL UMA SEQUÊNCIA DIDÁTICA PARA O USO DOS RAIOS X NO ENSINO MÉDIO
VIA ACESSO REMOTO NA PERSPECTIVA DA APRENDIZAGEM SIGNIFICATIVA
IVANILDO FABRICIO DE OLIVEIRA
MARINGÁ/PR
Janeiro/2017
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UNIVERSIDADE ESTADUAL DE MARINGÁ
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS
MESTRADO NACIONAL PROFISSIONAL EM ENSINO DE FÍSICA/POLO UEM
PRODUTO EDUCACIONAL UMA SEQUÊNCIA DIDÁTICA PARA O USO DOS RAIOS X NO ENSINO MÉDIO
VIA ACESSO REMOTO NA PERSPECTIVA DA APRENDIZAGEM SIGNIFICATIVA
IVANILDO FABRICIO DE OLIVEIRA
Este Produto Educacional compõe o
trabalho de Dissertação de Mestrado
submetida ao Programa Pós-Graduação
do Mestrado Nacional Profissional em
Ensino de Física da Universidade Estadual
de Maringá como parte dos requisitos
necessários à obtenção do título de Mestre
em Ensino de Física.
Orientador: Prof. Dr. Paulo Ricardo Garcia Fernandes
MARINGÁ/PR
Janeiro/2017
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Sumário
1 - Apresentação da Sequência Didática .................................................................. 04
1.1 - Ficha Técnica da SD .................................................................................... 05
1.2 - Estrutura das aulas da SD ............................................................................ 06
2 - Roteiro Experimental ............................................................................................10
3 - Resultados Esperados .........................................................................................13
4 - Avaliação...............................................................................................................15
5 – Anexo – Aula Preliminar sobre Mapas Conceituais..............................................16
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1 – Apresentação da Sequência Didática Esta Sequência Didática (SD) foi desenvolvida para aplicação das TIC’s no
Ensino Médio, sendo esta, uma proposta de ensino metodológica com o intuito de
ministrar o conteúdo de Raios X, ela está organizada com algumas atividades de
aprendizagem, que envolvem atividades de fixação e com uso de recursos didáticos e
como avaliação a confecção de mapas conceituais. Esperamos que esta SD possa ser
útil aos professores de física nas aulas de FMC e Raios X ou para aqueles que
quiserem adaptar para outros conteúdos.
O objetivo deste trabalho é planejar algumas aulas com atividades e recursos
tecnológicos, de modo que envolva os alunos e estes participem de uma investigação
científica experimental via acesso remoto, proporcionando conceitos básicos de FMC.
O planejamento desta sequência didática focou-se na terceira série do EM de um
colégio público, da disciplina de Física, e que, segundo o Regimento Escolar, destina-
se duas aulas semanais de cinquenta minutos cada, perfazendo um total de 06 aulas
nesta proposta.
Em parceria com o Laboratório de Acesso Remoto (LARI) na Universidade
Estadual de Maringá-UEM, o presente material sugere a utilização do aparelho de
Raios X do LARI para analisar os fenômenos de Difração e Absorção de ondas
eletromagnéticas focados nas amostras de cristais sólidos. Professores e alunos do
Ensino Médio efetuaram medidas no aparelho de Raios X em tempo real manipulando
as amostras remotamente a partir do colégio. Foram analisadas por difração de Raios
X a substância cristalina deFluoreto de Lítio (LiF), com e sem filtros metálicos, Cobre
(Cu), Níquel (Ni), Chumbo (Pb) e Estanho (Sn).
Para a avaliação da aprendizagem significativa desta sequência didática
propusemos uma comparação da produção inicial com a final, então, destaca-se
inicialmente a aplicação de um debate com a turma e a confecção de um Mapa
Conceitual-1 sobre o tema e, após o encerramento das atividades de fixação, a
confecção do segundo Mapa Conceitual-2 referente ao mesmo tema.
Assim, esta sequência didática está interligada com o foco da linha de pesquisa,
que foi a Física no Ensino Médio com a Área de concentração: Física na Educação
Básica, logo, baseou-se nas pesquisas na área do Ensino de Física voltadas à FMC
no Ensino Médio.
Para deixar mais claro para os professores o funcionamento desta SD, abaixo
apresenta uma ficha técnica e mais adiante, um resumo das estruturas das aulas,
como forma de contribuir para o trabalho docente.
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1.1 - Ficha técnica
TEMA: RAIOS X
TIPO DE SEQUÊNCIA DIDÁTICA: Investigação científica e de curta duração.
PÚBLICO ALVO: Alunos do terceiro ano do EM.
DURAÇÃO: 06 aulas de 50 minutos cada.
CONTE
ÚDOS
- Contextualização da Física no final do séc. XIX; - Produção e aplicações de Raios X na tecnologia; - Espectro Eletromagnético: Contínuos e de Raias; - Fenômeno Ondulatório: Difração de Bragg.
OBJETIVOS
- Analisar o surgimento da Física Quântica no final do século XIX; - Saber diferenciar as fontes naturais e artificiais que emitem ondas
de Raios X; - Aplicar a lei de Bragg; - Relembrar o conceito de ondas eletromagnéticas e o fenômeno da
Difração; - Conceituar Emissão e Absorção de Raios-X; - Exemplificar situações semelhantes do uso de Raios X no
cotidiano.
AVALIAÇÃO - Confecção de Mapas Conceituais sobre a Física Moderna e os Raios X.
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1.2 – Estrutura das aulas
SEQUÊNCIA DIDÁTICA - DISCIPLINA DE FÍSICA
IDENTIFICAÇÃO:
COLÉGIO EST. DR. JOSÉ GERARDO BRAGA
3ª. SÉRIE – ENSINO MÉDIO PROFESSOR: Ivanildo Fabrício de Oliveira
Trimestre: 2º Período: de 08 a 29 de junho de 2016.
PROBLEMATIZAÇÃO:
Quando fraturamos algum osso do nosso corpo, fazemos um Exame de Raios X, como seria possível encontrar no nosso cotidiano exemplos relacionados aos conceitos físicos de Raios X com aplicações tecnológicas?
SEQUÊNCIAS DIDÁTICAS:
1ª SEQUÊNCIA: Como foi a descoberta dos Raios X e como são produzidos os Raios X? E como os raios X contribuíram para o surgimento da Física Moderna?
• CONTEÚDOS: Contexto histórico do final do Séc. XIX e os Fenômenos que a Física Clássica não respondia: A Radiação de Corpo Negro; o Efeito Fotoelétrico e os Espectros de Raias dos elementos químicos;Descoberta, produção e aplicação tecnológica dos Raios X.
• COMPETÊNCIAS/HABILIDADES: - Conhecer a contextualização-histórica do final do Séc. XIX acerca dos desafios enfrentados pela Física Clássica; - Esboçar modelos que representem os fenômenos físicos observados na Radiação de Corpo Negro, no Efeito Fotoelétrico, nos Espectros Atômicos e nos Raios X; - Interagir virtualmente com a Animação/Simulação analisando a “Radioatividade”; Dos PCN’S temos: - Identificar diferentes tipos de radiações presentes na vida cotidiana, reconhecendo sua sistematização no espectro eletromagnético (das ondas de Rádio aos Raios Gama) e sua utilização através das tecnologias a elas associadas (radiografia, tomografia.); - Avaliar efeitos biológicos e ambientais do uso de radiações ionizantes em situações do cotidiano.
• TEMPO: 04 aulas necessárias
AÇÕES DE PESQUISA E ESTUDO
TAREFAS DE CASA AVALIAÇÃO
Equipe Individual Individual Equipe Individual - alunos sentados
individualmente: Professor dialoga com a classe
sobre o assunto Raios X
- Pesquisa inicial: o aluno verifica com a família a
quantidade aproximada de exames de Raios X já
Individualmente os alunos produzem um Mapa Conceitual-1
com seus
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investigando os conhecimentos prévios que os alunos trazem
consigo. Após, levantamento qualitativo dos conhecimentos prévios dos educandos, o professor expõem os passos para a construção de
Mapas Conceituais.
realizados.
conhecimentos prévios.
- Em Equipes de 4 quatro integrantes para visitar o
laboratório de informática, participar da Simulação
“RADIOATIVIDADE”, conforme I Procedimento Metodológico
visualizado no ANEXO I.
- Acessar novamente a simulação, se possível em
casa, “Radioatividade”. - Responder no
caderno as questões presente no final da Simulação sobre a
produção, Radiações (Alfa, Beta e Gama) e a
aplicação dos Raios X na Medicina, como por
exemplo, a radiografia e a radioterapia.
- Participação no debate em sala de aula sobre a simulação
“RADIOATIVIDADE”. - Professor ministra a aula
sobre os conceitos da Física Moderna e os Raios X.
- Pesquisa de aprofundamento nos livros
didáticos, cedidos pelos Governos Estadual e Federal, anotando os
conceitos sobre contexto-histórico da Física
Clássica no final do Séc. XIX: Comportamento Dual
da Luz, a Radiação de Corpo Negro, Efeito
Fotoelétrico e a produção de Raios X.
- Sintetizar a pesquisa e plotar no caderno figuras sobre as Lâmpadas de Crookes ou Tubos de
Raios X e a geração dos Raios X.
Atividade de fixação 1 em Equipe: -
Elaborar um texto conclusivo sobre os principais elementos
que cercam o funcionamento da
máquina de Raios X e a Aplicação na
medicina. - Bem como um
esboço (desenho) da máquina e a emissão
dos Raios X pela lâmpada.
2ª SEQ.: Podemos ver a superfície das substâncias macroscopicamente, mas, como seria possível analisar as camadas energéticas ao redor do núcleo atômico dos sólidos cristalinos?
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• CONTEÚDOS: Fenômeno da Difração de Raios X e a Lei de Bragg; Espectroscopia: Espectros Eletromagnéticos: Contínuo e Raias.
• COMPETÊNCIAS/HABILIDADES: - Compreender formas pelas quais a física e a tecnologia influenciam nossa interpretação do mundo atual, condicionando maneiras de pensar e interagir, como por exemplo, o exame de Raios X; - Compreender melhor os conceitos teóricos-científicos do mundo tecnológico; - Proporcionar ao aluno momentos para pensar, refletir, questionar sobre os fenômenos abordados, analisando o contexto histórico-social e o contexto social do aluno.
• TEMPO: 02 aulas necessárias
AÇÕES DE PESQUISA E ESTUDO TAREFA AVALIAÇÃO Equipe Individual Individual Equipe Individual
Em Equipe: - Usar o Acesso Remoto apoiado no II Procedimento Metodológico
descrito no ANEXO I para analisar a amostra de cristal e os filtros
metálicos por difração de raios X. - Seguir o roteiro de investigação no III Procedimento Metodológico para a utilização da máquina de
raios X verificando graficamente os Espectros Contínuos, ângulos de
Bragg e as intensidades energéticas medidas.
Pesquisar sobre o acesso remoto, o átomo de Bohr
e o níveis de energia entre as
camadas atômicas para o
átomo de Hidrogênio.
Atividade de fixação-2 em Equipe:
1ª Parte – Imprimir os gráficos dos espectros
contínuos, tabelar os pontos de máxima a Intensidade de
Absorção Energética (Imp#/s) e seus respectivos ângulos (2θ) e determinar a
distância interplanar com ajuda da Lei de Bragg.
- Professor ministra a aula finalizando sobre os conceitos da
Física Moderna e os Raios X. Em equipe: analisam os gráficos.
2ª Parte - Analisar os gráficos dos filtros metálicos e
identificar os pontos de maior absorção gerados a partir
dos mesmos. Atividade questionário final -
Individual: Esboçar um Mapa Conceitual-2
englobando a Física Moderna e os outros
conteúdos pertinentes os Raios X. E responder a problematização acima.
REFERÊNCIAS:
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BURKARTER, E. et al. Livro Didático Público –FÍSICA – 2ª. Edição. SEED-PR,
Curitiba: 2007. Cap. 12 pág. 195.
GASPAR, A. – Compreendendo a Física Eletromagnetismo e Física Moderna –
Volume 3.Editora Ática, 2ª. Edição; São Paulo: 2014.
HALLIDAY, D., RESNICK, R. - Fundamentos de Física. Vol. 4: Ótica e Física
Moderna. Rio de Janeiro: Livros Técnicos e Científicos, 1991.
SILVA, C. X.; FILHO, B.B.; Física aula por aula: eletromagnetismo, ondulatória,
física moderna - Vol. 3 .1ª. Edição, FTD, São Paulo: 2010.
SEED – Portal dia a dia educação. Disponível:
<http://www.quimica.seed.pr.gov.br/modules/links/uploads/1/133452001sim_qui_ra
dioatividade2.swf> Acesso em: setembro de 2015.
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2 - Roteiro Experimental
TÍTULO: “Difração e Absorção de RaiosX via Acesso Remoto”
I - PROCEDIMENTO: PASSOS PARA O ACESSO REMOTO
- Acessar o site: www.dfi.life.uem.pr (ou via programa: TeamViewer11)
- Agendar um horário disponível com aparelho de Raios X ligado;
Acessando o TeamViewer11 como sendo o acesso remoto. Em seguida o Measure
para controlar o Aparelho X-RAY EXPERT 4.0 (PHYWE) e o NXT 2.0 Programming
para controlar o ROBO LEGO Mindstorms e girar os filtros metálicos dentro do
Aparelho de RaiosX. Os programas que podem ser utilizados no acesso remoto, estão
dispostos na Figura 2.1.
O aparelho de Raios X será visualizado pela câmera digital instalada por meio do
programa Ivideon.
Figura 2.1 - Programas computacionais utilizados.
Fonte: Arquivo pessoal do autor.
Os aparelhos X-Ray Expert 4.0, computador do LARI, câmera de vídeo e Robô
Lego NXT estarão ligados, bem como a porta de radiação travada aparelho X-ray
Expert 4.0, como mostra a Figura 2.2.
Figura 2.2 – Esquema das conexões entre os dispositivos.
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II - PROCEDIMENTO: Realizando o Experimento
1ª ETAPA: SEM ROBÔ NXT
i. Inicie o programa "Measure" com o Aparelho X-RAY ligado. Verifique se a luz está
acesa.
ii. Verificar se a alta tensão está em U = 35,0 kV e a emissão de corrente I = 1,00 mA.
Configuração do Goniômetro, conforme Figura 2.3:
CRISTAL: LiF – Ângulo de arranque 00. E ângulo de paragem 500.
MODO: ACOPLAMENTO 1:2 Ângulo do Cristal = em 00.
ABSORVEDOR: Sem o Níquel (Ni).
- a largura por passo angular ∆β = 0,1 (INCREMENTO DO DETECTOR).
- o tempo por passo angular ∆t = 2 s (TEMPO DE INTEGRAÇÃO).
iii. Pressione a tecla MODO - ACOPLAMENTO 1:2 no dispositivo para permitir o
acoplamento 2θ da amostra de LiF e o detector; definir o valor do limite angular inferior
e superior em 00 e 500 respectivamente.
Figura 2.3 – Modelo de Configuração aparelho de RaiosX.
iv. Pressione a tecla INICIAR MEDIDAS “BOLA VERMELHA”. Durante as medidas e
observe as imagens do Goniômetro por meio do programa Ivideon.
v. Quando a medição terminar, ou seja, depois de colher os dados, selecione “Enviar
todos os dados para medir” no computador do LARI.
vi. Extrair da tabela os ângulos onde ocorreram os maiores picos de ABS. E aplicar na
Lei de Bragg.
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2ª ETAPA: COM ROBÔ NXT
Repetir o procedimento da 1ª. ETAPA, porém, com o ABSORVEDOR indicado na
Figura 2.4. Iniciar o programa ROBÔ NXT para selecionar os metais: Cobre (Cu),
Níquel (Ni), Chumbo (Pb) e Estanho (Sn).
vii. Quando a medição terminar, ou seja, depois de colher os dados, selecione a tecla
“ENVIAR TODOS OS DADOS PARA MEDIR”, em seguida OK.
Figura 2.4 – Modelo de configuração de aparelho de RaiosX.
III - ANALISANDO OS RESULTADOS
Tratamento dos Resultados
i. Acesse as funções de avaliação do software "Measure", selecione o comando
"ANÁLISE".
ii. Selecione a opção “Análise de Pico”.
iii. Salvar suas medições e avaliações com um adequado nome de arquivo.
iv. Comparar graficamente o Espectro dos picos medidos com os RESULTADOS
ESPERADOS (Tabela 3.1).
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3 – Resultados Esperados
Os valores experimentais esperados são listados na Tabela 3.1, bem como os
gráficos esperados. Retomando nosso objetivo, que é determinar o ângulo de Bragg e
o analisar o Espectro Contínuo obtidos no experimento, observa-se os valores dos
ângulos, representados aqui pelo símbolo [°], oferecido pelo programa Measure X-ray
Expert 4.0. Logo, estes valores de ângulos de Acesso[°] início da curva espectral,
máximo[°], offset[°] determinando o fim da medida da curva. Haja visto, que para
nosso trabalho, necessitamos do ângulo de valor máximo. Sendo mais conveniente,
adotarmos os ângulos 21,40 e o 47,40, e descartando o 6,50 pois formou-se uma banda
absorção muito larga, ou seja, as curvas que apresentam picos mais definidos são
mais interessantes para esta pesquisa.
Ainda nesta análise é plausível a altura, ou seja, a intensidade (Imp #/s), valores
visíveis nos Gráficos 3.1. 3.2 e 3.3 e a área da curva apontada pela Tabela 3.1. Nota-
se no Gráfico 3.3 o empenho giratório do trocador de filtros metálicos evidenciando
uma queda brusca na absorção metálica, indicando o bloqueio dos raios X pela placa
metálica de Chumbo (Pb), principalmente.
Tabela 3.1 – Resultados obtidos na análise de pico.
Acesso[°] máximo[°] offset[°] altura[# / s] área[# / s°] 4,7 6,5 7,9 1094 2756,0 19,9 21,4 22,0 3107 1421,4 46,7 47,0 47,4 495 163,0
Gráfico 3.1 - Análise de pico LiF sem Absorção Metálica.
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Gráfico 3.2 - Análise de pico LiF com Absorção de um metal apenas (Cu).
Gráfico 3.3 – Análise de pico com os Filtros Metálicos em rotação (Cu, Pb, Ni, Sn).
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4 – Avaliação
Com os conhecimentos propostos neste trabalho espera-se que os alunos
possam utilizar no cotidiano de suas vidas, como por exemplo, alta exposição e
proteção aos raios X em exames radiológicos, a utilização de simulações nas mais
diversas áreas da ciência e confecção de Mapas Conceituais sobre a Física Moderna
e os Raios X.
Atividade de fixação 1 em Equipe: Resgate da Simulação
Participação no debate em sala de aula sobre a simulação “RADIOATIVIDADE”.
Elaborar um texto, sintetizando sobre os principais elementos que cercam o
funcionamento da máquina de Raios X e a Aplicação na medicina, bem como um
esboço (desenho) da máquina e a emissão dos Raios X pela lâmpada.
Atividade de fixação 2 em Equipe: Acesso remoto aos Raios X.
1ª Parte - Imprimir os gráficos dos Espectros Contínuos obtidos da amostra de
cristal com a máquina de raios X, destacando-se em uma tabela os pontos de máxima
Absorção Energética (Imp #/s) e seus respectivos ângulos (2θ), assim como resolver
exercícios teórico-matemáticos sobre a Lei de Bragg.
2ª Parte - Analisar os gráficos e identificar os pontos de maior absorção obtidos
com os filtros metálicos.
Atividade de fixação 1 Individual: Física Moderna e os Raios X.
Esboçar um Mapa Conceitual-2 englobando a Física Moderna e os outros
conteúdos pertinentes os raios X e responder a problematização acima.
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Anexo A
Aula Preliminar – Mapas Conceituais
Prof. Fabricio - Física O que são os mapas conceituais? Mapas conceituais são diagramas que estabelecem uma visão geral de um
tema, também são chamados de mapas de conceitos. Dois conceitos ligados entre si por uma linha, apresentam relações ao conhecimento de modo que sejam potencialmente significativos permitindo a integração e diferenciação dos conceitos.
Os mapas conceituais podem ser construídos com qual formato? Os mapas conceituais podem ser construídos de várias formatos, porém, os
mais usuais são com figuras geométricas, como por exemplo, elipses, retângulos e círculos ligados com um traço entre si.
Para que servem os mapas conceituais? Mapas conceituais servem para diversas situações, como: instrumento de
análise do currículo, técnica didática, recurso de aprendizagem, meio de avaliação e, também podem ser usados para mostrar relações significativas entre conceitos ensinados em uma única aula, em uma unidade de estudo ou em um curso inteiro.
Nas Figuras 1 e 2 podemos observar os mapas conceituais com as frases de ligação entre os conceitos.
Figura 1. Modelo indicando a estrutura de um Mapa Conceitual.
http://www2.dcc.ufmg.br/laboratorios/lsi/EAD/MapasConc/TutorialCMapTools.html
Figura 2. Exemplo de Mapa Conceitual na disciplina de Física.
http://experimentandofisica.blogspot.com.br/2012/12/mapas-conceituais_10.html
Referência:http://www.recursosdefisica.com.br/mapas-conceituais.html
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